ΥΛΙΚΑ ΓΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΘΕΡΜΙΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 5o Μάθημα Διδάσκων: Επ. Καθηγητής Ε. Αμανατίδης ΤΡΙΤΗ 2/5/2017 Τμήμα Χημικών Μηχανικών Πανεπιστήμιο Πατρών
Περίληψη Ηλιακά θερμικά συστήματα: Ορισμοί Κατηγορίες Τμήματα Ηλιακών Θερμικών Συλλογής Αποθήκευσης Διανομής - Διαχείρησης Διατάξεις Επίπεδοι Συλλέκτες Ωφέλιμη ενέργεια Κρίσιμοι παράμετροι σχεδιασμού Τρέχουσα κατάσταση στην Ελληνική αγορά
Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - Κατηγορίες Συστήματα που μετατρέπουν την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε χρήσιμη θερμότητα Υπάρχουν τρεις γενικές κατηγορίες συστημάτων, ανάλογα με την παραγόμενη θερμοκρασία: Συστήματα χαμηλών θερμοκρασιών (<80 ο C) Συστήματα μέσων θερμοκρασιών (80-200 ο C) Συστήματα υψηλών θερμοκρασιών (>200 ο C)
Θερμικά Ηλιακά Συστήματα Συγκεντρωτικά ηλιακά Μεγάλες Εγκαταστάσεις Υψηλές Θερμοκρασίες Απλοί συλλέκτες Εύκολες εγκαταστάσεις Χαμηλές θερμοκρασίες Οικιακή Χρήση
Εφαρμογές Βιομηχανία, Ξενοδοχεία, Γεωργία Θέρμανση και Ψύξη Χώρων
Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - Κατηγορίες Επίσης τα θερμικά συστήματα ταξινομούνται ως: Ενεργητικά συστήματα Παθητικά συστήματα Υβριδικά συστήματα
Θερμικά Ηλιακά Συστήματα Ενεργητικά Συστήματα όπου για την συλλογή, αποθήκευση και διανομή της ενέργειας χρησιμοποιούνται βοηθητικές συσκευές για την μεταφορά του αποθηκευτικού ή τελικά θερμαινόμενου ρευστού (κυκλοφορητές, αντλίες, ) Συνήθως συσκευές που χρησιμοποιούνται μόνο για την παραγωγή ενέργειας και δεν αποτελούν αναγκαίο μέρος του συστήματος στο οποίο θα προσφερθεί η ενέργεια (συλλέκτης σε κτίριο ή θερμοκήπιο) image url Θερμικά Ηλιακά Συστήματα 7
Θερμικά Ηλιακά Συστήματα Παθητικά Τα παθητικά θερμικά ηλιακά συστήματα είναι συστήματα που για την συλλογή, αποθήκευση και διανομή της ενέργειας δεν χρησιμοποιούνται βοηθητικές συσκευές για την μεταφορά του αποθηκευτικού ή τελικά θερμαινόμενου ρευστού Τα παθητικά θερμικά ηλιακά συστήματα συνήθως αποτελούν αναγκαίο τμήμα του συστήματος στο οποίο θα προσφερθεί η ενέργεια (π.χ. παράθυρο ή τοίχος σε ένα κτίριο) Παραδείγματα Μαζικός Τοίχος Τοίχος Trombe Τοίχος με νερό image url image url Θερμικά Ηλιακά Συστήματα 8
Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - Υβριδικά Τα υβριδικά ηλιακά συστήματα είναι ένας συνδυασμός παθητικών και ενεργητικών συστημάτων (π.χ. ένα κτίριο εφοδιασμένο με παθητικά συστήματα στο οποίο έχουν εγκατασταθεί ηλιακοί συλλέκτες)
Θερμικά Ηλιακά Συστήματα Επί μέρους Τμήματα Τα θερμικά ηλιακά συστήματα χαμηλών θερμοκρασιών αποτελούνται από τρία κύρια τμήματα: Τμήμα συλλογής Τμήμα αποθήκευσης Τμήμα διανομής διαχείρισης Τμήμα συλλογής Αποτελείται συνήθως από μία επιφάνεια επί της οποίας προσπίπτει η ηλιακή ακτινοβολία. Η συσκευή συλλογής χαρακτηρίζεται από μεγάλη διαπερατότητα στην ηλιακή ακτινοβολία.
Θερμικά Ηλιακά Συστήματα Τμήμα Συλλογής Τμήμα συλλογής Η προσπίπτουσα στο σύστημα ηλιακή ακτινοβολία αφού διαπεράσει την ηλιοδιαπερατή επιφάνεια, απορροφάται από επιφάνεια μεγάλου συντελεστή απορρόφησης στην ηλιακή ακτινοβολία. Ανάλογα με την θερμοχωρητικότητα της απορροφητικής επιφάνειας, η ενέργεια αυτή αποθηκεύεται εντός της επιφάνειας είτε μεταφέρεται σε ξεχωριστό τμήμα μεγάλης θερμοχωρητικότητας που καλείται σύστημα αποθήκευσης image url Θερμικά Ηλιακά Συστήματα 11
Θερμικά Ηλιακά Συστήματα Τμήμα διανομής διαχείρισης Τμήμα διανομής - διαχείρισης: Η ανάκτηση της αποθηκευμένης ενέργειας και η διαχείρισή της πραγματοποιείται δια μέσου του τμήματος διανομής- διαχείρισης. Το τμήμα αυτό αποτελείται από το υποσύστημα ελέγχου και το υποσύστημα διανομής. Το υποσύστημα ελέγχου μπορεί να είναι ένας απλός θερμοστάτης ή ένα πολυπλοκότερο σύστημα όπως ένας μικροεπεξεργαστής Η διανομή της ενέργειας γίνεται με φυσικές διαδικασίες (π.χ. ακτινοβολία, μεταφορά θερμότητας, χρήση συσκευών εξαναγκασμένης μεταφοράς όπως κυκλοφορητές και αντλίες) image url Θερμικά Ηλιακά Συστήματα 12
Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα Συλλέκτες Ο ηλιακός συλλέκτης είναι εναλλάκτης θερμότητας που μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια σε θερμική Μέσο θέρμανσης: Νερό Αέρας Διακρίνονται σε συστήματα: Tracking (βασικός επίπεδος συλλέκτης, επίπεδος συλλέκτης με πλευρικούς ανακλαστήρες, κυλινδρικούς συλλέκτες) Non tracking (παραβολικά, ανακλαστήρες Fresnel, παραβολοειδή, ηλιοστάτες)
Non Tracking Συλλέκτες
Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα Non-tracking Συλλέκτες Η παραβολή περιγράφεται από την εξίσωση: y = A x 2 + B x + C
Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα Non-tracking Συλλέκτες Πύργος ισχύος Χρησιμοποιούν έναν αριθμό Ηλιοστατών για να εστιάσουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ένα κεντρικό δέκτη. Το ρευστό είναι είτε υψηλής θερμοκρασίας συνθετικό λάδι είτε ειδικό αλάτι το οποίο στην συνέχεια χρησιμοποιείται για παραγωγή ηλεκτρικής συνήθως ενέργειας από στροβίλους Παραβολικά συστήματα Τοποθετούνται οριζόντια ή κατακόρυφα στον άξονα Ανατολή-Δύση για να μειωθούν οι ανάγκες για ευθυγράμμιση και κατά συνέπεια το κόστος. Τα κατακόρυφα συστήματα ακολουθούν τον ήλιο αλλάζοντας τον προσανατολισμό της σκάφης. Η θερμοκρασία του ρευστού μπορεί να φτάσει τους 550 o C
Διάγραμμα λειτουργίας ηλιακού πύργου
Στοιχεία λειτουργίας ηλιακού πύργου
Παραβολικοί vs Ηλιακούς πύργους
Επίπεδοι Συλλέκτες
Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα Επίπεδοι Συλλέκτες Τμήματα επίπεδου συλλέκτη Απορροφητική πλάκα Σωλήνες ή κανάλια ροής νερού Ηλιοδιαπερατή κάλυψη Μονωμένο πλαίσιο τοποθέτησης των τμημάτων Η απορροφητική πλάκα είναι συνήθως μία μεταλλική πλάκα βαμμένη μαύρη με πάχος 1 2 cm. Οι σωλήνες του νερού τοποθετούνται σε επαφή με την απορροφητική πλάκα ώστε να επιτυγχάνεται η βέλτιστη μετάδοση θερμότητας είτε αποτελούν τμήμα της απορροφητικής πλάκας Η ηλιοπερατή κάλυψη είναι συνήθως γυαλί (1 2 υαλοπίνακες)
Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα Επίπεδοι Συλλέκτες Η αρχή λειτουργίας του επίπεδου συλλέκτη (φαινόμενο του θερμοκηπίου): Ι τ s (διαπερατότητα της γυάλινης κάλυψης) α s (απορροφητικότητα της απορροφητικής πλάκας) Αύξηση θερμοκρασίας της απορροφητικής πλάκας Εκπομπή μεγάλου μήκους ακτινοβολίας από την πλάκα Παγίδευση της μεγάλου μήκους ακτινοβολίας από την γυάλινη κάλυψη Το σύστημα χαρακτηρίζεται από μεγαλύτερες ενεργειακές εισροές από εκροές
Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα Επίπεδοι Συλλέκτες
Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα Επίπεδοι Συλλέκτες Κρίσιμοι παράμετροι για την ανάπτυξη του φαινομένου του θερμοκηπίου: Η διαπερατότητα της γυάλινης κάλυψης στην ηλιακή ακτινοβολία, που θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερη Η απορροφητικότητα της πλάκας στην ηλιακή ακτινοβολία, που θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερη Ο συντελεστής μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολίας της πλάκας, που θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερος Η διαπερατότητα της γυάλινης κάλυψης στην μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία, που θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερος
Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα Επίπεδοι Συλλέκτες Οι κύριες προσπάθειες βελτίωσης του συλλέκτη εντοπίζονται στις ιδιότητες της απορροφητικής πλάκας (μεγάλη απορροφητικότητα, μικρός συντελεστής εκπομπής στα μεγάλα μήκη κύματος Επιλεκτικές Επιφάνειες) Τα ιδανικά χαρακτηριστικά μιας επιλεκτικής επιφάνειας μπορεί να προσεγγίζουν απορροφητικότητες ~1 για λ<4μm, ενώ ο συντελεστής εκπομπής ~0 για λ>4μm Είδος Επιφάνειας α (λ<4μm) ε (λ>4μm) Οξείδια του χαλκού επί 0,89 0,17 χαλκού Μαύρο νικέλιο 0,89 0,12-0,18 Μαύρο χρώμα σε αλουμίνιο 0,868 0,088
Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα Επίπεδοι Συλλέκτες Στην ουσία μία είναι η εξίσωση που περιγράφει την λειτουργία του συλλέκτη και αναφέρεται στο ενεργειακό ισοζύγιο που εκφράζει την θερμική του συμπεριφορά: Ωφέλιμη ενέργεια = (Προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια Οπτικές απώλειες Απώλειες λόγω αγωγής, μεταφοράς, ακτινοβολίας)
Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα Επίπεδοι Συλλέκτες Διαπερατότητα του γυάλινου κελύφους Η τ μπορεί να υπολογιστεί ως το γινόμενο: της διαπερατότητας λόγω ανάκλασης της ηλιακής ακτινοβολίας επί του κελύφους τ r της διαπερατότητας λόγω απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας από το κέλυφος τ α Οπότε η συνολική διαπερατότητα είναι: τ = τ r τ α
Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα Επίπεδοι Συλλέκτες Διαπερατότητα x Απορροφητικότητα [ενεργό γινόμενο] Από την ακτινοβολία που διέρχεται από την γυάλινη επικάλυψη και φτάνει στον πλάκα απορρόφησης ένα μέρος της ανακλάται πάλι προς την γυάλινη επιφάνεια και πάλι πίσω σε μία συνεχώς επαναλαμβανόμενη διαδικασία. Το γινόμενο διαπερατότητας του γυαλιού και απορροφητικότητας της πλάκας απορρόφησης δίνεται τελικά από την σχέση: n o =(τα) = 1.02 τ α Οπτική απόδοση συλλέκτη
Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα Επίπεδοι Συλλέκτες Η ωφέλιμη ενέργεια από το συλλέκτη ισούται με: q A F I n U T T ' c c T o L cm a όπου: Α c η επιφάνεια του συλλέκτη (m 2 ) F συντελεστής απόδοσης του επίπεδου συλλέκτη και εκφράζει την απόδοση της μετάδοσης θερμότητας από τον απορροφητή στο μέσο Ι Τ η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στην επιφάνεια του συλλέκτη (W/m 2 ) n ο η οπτική απόδοση του συλλέκτη (τα) U L ο ολικός συντελεστής θερμικών απωλειών (W/m 2 C) T cm η μέση θερμοκρασία του ρευστού στο συλλέκτη (C) Tα η θερμοκρασία περιβάλλοντος (C)
Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα Επίπεδοι Συλλέκτες Απόδοση συλλέκτη n = n o a T cm T a I T όπου: α οι θερμικές απώλειες συλλέκτη Ι Τ η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στην επιφάνεια του συλλέκτη (W/m 2 ) n ο η οπτική απόδοση του συλλέκτη (τα) T cm η μέση θερμοκρασία του ρευστού στο συλλέκτη (C) Tα η θερμοκρασία περιβάλλοντος (C)
Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα Επίπεδοι Συλλέκτες Η απόδοση των συλλεκτών εξαρτάται από: Κατασκευαστικούς παράγοντες (σχεδιασμός και υλικά) Κλιματικούς παράγοντες Λειτουργικούς παράγοντες (θερμοκρασία ρευστού, παροχή, κλπ.) Σταθερά χρόνου: Καθορίζει πως επηρεάζεται η απόδοση ενός συλλέκτη από ενδιάμεσες τιμές ακτινοβολίας και βοηθά στο σχεδιασμό στρατηγικής ελέγχου της λειτουργίας
Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα Επίπεδοι Συλλέκτες Βελτίωση χαρακτηριστικών συλλέκτη Αύξηση της οπτικής απόδοσης με χρήση κατάλληλου υαλοπίνακα (μείωση ανακλαστικότητας)=4% αύξηση. Μείωση απωλειών θερμικής ακτινοβολίας με χρήση κατάλληλων υλικών (οι θερμικές απώλειες είναι τα 2/3 των συνολικών απωλειών) ή με χρήση διπλού υαλοπίνακα (μείωση της οπτικής απόδοσης). Χρήση πλαϊνών ανακλαστήρων (απλή και οικονομική λύση). Μπορούν να προκαλέσουν πρόβλημα σκίασης και μη ομοιογενή ηλιακή ακτινοβολία κατά τη διάρκεια της ημέρας). Χρήση φασματικών υλικών
Συλλέκτες ανοικτού κλειστού βρόγχου και απ ευθείας θέρμανση Ανοικτού βρόγχου Απ ευθείας θέρμανση του μέσου που θέλουμε π.χ νερό. Συνήθως οικίες Θερμικά Ηλιακά Συστήματα Κλειστού βρόγχου Θερμαίνουμε κάποιο άλλο μέσο υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και στη συνέχεια το μέσο που θέλουμε. Μεγαλύτερα συγκροτήματα, ξενοδοχεία κλπ 33
Ετήσιες πωλήσεις kwth Βιομηχανία 250000 Ελληνική Βιομηχανία Ελλάδα Εξαγωγές 200000 150000 100000 50000 0 2005 2006 2007 2008 2009 2010
Εξέλιξη θερμικών ηλιακών συστημάτων Ηλεκτρική Ενέργεια Θέρμανση - Ψύξη Εκρηκτική αύξηση θερμικών ηλιακών συστημάτων για παραγωγή ενέργειας από το 2008 σε Ισπανία - ΗΠΑ Σταθερή αύξηση θερμικών ηλιακών συστημάτων για θέρμανση την τελευταία 15ετία ~ 3.5 GW εγκατεστημένης ισχύος παγκοσμίως, 326 GWth για θέρμανση νερού με την Κίνα να κατέχει το μεγαλύτερο ποσοστό
Η θέση της Ελλάδας στα θερμικά ηλιακά Ελλάδα 3 η στην Ευρώπη στα ηλιακά κατά κεφαλή Εξαγωγές 50% παραγωγής 200 000 m2/ ετος ΚΑΠΕ Εργαστήριο Ηλιακών Δημοκρίτου Επιρροή στη διαμόρφωση ευρωπαϊκών πολιτικών
Εγκατεστημένη ισχύς κόστος Επιφάνεια συλλεκτών 4 200 000 m2 Πλήθος επίπεδων συλλεκτών 1 300 000 τεμ Εγκατεστημένη Ισχύς 2900 ΜWth Ετήσια ενέργεια ετος 400 GWth / Υποκαθιστούν εγκατεστημένη ηλεκτρ. ισχύ 500 ΜW Χαμηλό Κόστος Κόστος συλλέκτη 140-200 /m2 Κόστος εγκατάστασης 25 /m2 Μια 4μελή οικογένεια απαιτεί ~4m2 για κάλυψη αναγκών ζεστού νερού
Περιβάλλον - Απασχόληση Εξοικονομούν ρύπους 1.5 εκατ. τόνους CO2/ετος CO, SO2, NOX κλπ. 3700 θέσεις εργασίας